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数字式温补晶体振荡器中的压控振荡电路的设计

作　者: 杨保顶
导　师: 唐广
学　校: 电子科技大学
专　业: 电路与系统
关键词: 压控石英晶体振荡电路相位噪声自动增益控制温度频差曲率补偿带隙基准源
分类号: TN752
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 208次
引　用: 2次
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内容摘要

晶体振荡器作为现代通信,精密计测仪器等领域的频率基准源,起到至关重要的作用。由于作为振荡器选频回路的石英晶体谐振器具有很高的品质因数和极小的接入系数,因此在高频率稳定度与低相位噪声应用场合,晶体振荡器是作为频率基准的最佳选择。然而在移动通信,计测等领域中,晶体振荡器的频率稳定度受温度变化的影响很大,因此需要加额外的补偿电路来提高频率稳定度。现阶段,由于数字式温度补偿晶体振荡器具有很高的补偿精度,并具有体积小,功耗小,可靠性高等优点,使之广泛应用于超大规模集成电路成为可能。数字式温度补偿晶体振荡器的设计主要分为数字温补电压形成电路的设计与压控石英晶体振荡电路的设计,本论文主要对后者进行了研究设计。在分析和总结多种压控晶体振荡电路的基础上,给出了适合本设计最优方案。设计主要分为三个部分:石英晶体振荡电路设计、压控电路设计与偏置电路设计。石英晶体振荡电路为桑托斯(Santos)结构的晶体振荡电路,采用自动增益控制的外稳幅方法稳定其振荡幅度,有效减小了失真,提高了频率稳定度,输出频率10MHz ,为单端口输出,节约了制造成本。此外论文对晶体振荡器的起振条件,自动增益负反馈环路的工作原理,频率稳定度和相位噪声进行了深入的理论分析。设计采用AT切晶体谐振器,根据其频率温度特性对晶体振荡器的影响,设计了变容二极管微调频电压控制电路,并给出了补偿电压的理论算法,使其频率牵引范围覆盖晶体振荡器频率随温度变化的范围,补偿后的温度频差为5.25×10 ?7/ ? 40 ~ 80 C。在偏置电路设计中,为了达到更高的指标要求,采用一阶与指数阶曲率补偿的高精度带隙基准电压源,使其具有更低的温度系数与更高的电压抑制比,基准电压被一个运放和一个电阻转换成电流,从而又构成高电源抑制比的电流基准源。在完成了对上述划分单元结构的仿真后,给出了压控晶体振荡电路的版图设计,并在最后指出设计中存在的问题及原因,给出了进一步的解决办法。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章引言  10-15
  1.1 晶体振荡器的发展概况  10-11
  1.2 晶体振荡器的类型  11-12
  1.3 课题研究的重要意义  12-13
  1.4 本论文的主要工作及结构安排  13-15
第二章 DTCXO 中的VCXO 电路结构和设计工艺  15-19
  2.1 DTCXO 基本工作原理  15
  2.2 VCXO 设计指标及总电路设计框图  15-17
  2.3 电路设计工艺  17-19
第三章石英晶体振荡电路的设计  19-54
  3.1 LC 振荡器  19-24
    3.1.1 LC 振荡器工作原理  19-22
    3.1.2 LC 振荡器结构与比较  22-24
  3.2 石英晶体振荡器  24-30
    3.2.1 石英晶体等效结构  24-28
    3.2.2 石英晶体振荡器的结构与选取  28-29
    3.3.3 石英晶体振荡器的主要技术指标  29-30
  3.3 带有AGC 电路的SANTOS 晶体振荡电路的设计  30-42
    3.3.1 电路概述  30-31
    3.3.2 Santos 晶体振荡电路的设计  31-39
    3.3.3 AGC 电路的设计  39-41
    3.3.4 仿真结果与分析  41-42
  3.4 振荡器的稳定性分析  42-45
    3.4.1 振幅平衡的稳定条件  43-44
    3.4.2 相位平衡的稳定条件  44-45
  3.5 混合电压偏置电路设计  45-48
    3.5.1 电路设计及原理  45-47
    3.5.2 仿真结果与分析  47-48
  3.6 振荡器的相位噪声分析  48-54
    3.6.1 相位噪声的表征方法  48-51
    3.6.2 相位噪声影响因素及减小措施  51-53
    3.6.3 仿真结果与分析  53-54
第四章电压控制电路的设计  54-68
  4.1 晶体谐振器的频率温度特性与选取  54-56
  4.2 补偿频率温度特性的基本原理  56-57
  4.3 变容二极管的特性分析与选择  57-59
  4.4 电压控制电路设计及原理  59-61
  4.5 补偿电压UK的算法  61-66
  4.6 结果分析  66-68
第五章 VCXO 偏置电路及输出级的设计  68-86
  5.1 偏置电路结构  68-69
  5.2 曲率补偿的高精度带隙基准源(BANDGAP)的设计  69-73
    5.2.1 传统带隙基准源工作原理  69-70
    5.2.2 曲率补偿的高精度基准电压源的设计及原理  70-72
    5.2.3 仿真结果与分析  72-73
  5.3 运算放大器(OPA)的设计  73-79
    5.3.1 电路设计及原理  73-74
    5.3.2 两级运放的补偿  74-76
    5.3.3 运放的失调  76-78
    5.3.4 仿真结果与分析  78-79
  5.4 与电源电压无关的偏置电流源设计  79-84
    5.4.1 电路的设计及原理  79-82
    5.4.2 仿真结果与分析  82-84
  5.5 VCXO 输出级的设计  84-86
    5.5.1 电路的设计及原理  84-85
    5.5.2 仿真结果与分析  85-86
第六章 VCXO 电路的版图设计  86-93
  6.1 版图设计规则与技术  86-89
    6.1.1 版图设计规则  86
    6.1.2 版图设计技术  86-89
  6.2 VCXO 版图设计  89-93
    6.2.1 曲率补偿的带隙基准电压源的版图设计  89-91
    6.2.2 VCXO 电路总体版图  91-92
    6.2.3 结论  92-93
第七章总结  93-95
致谢  95-96
参考文献  96-98
附录1 计算补偿电压的MATLAB 源程序  98-100
攻读硕士期间的研究成果  100-101

数字式温补晶体振荡器中的压控振荡电路的设计

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